热喷涂陶瓷涂层
蔡建平 李 波
机 械 工 程 材 料
摘 要 概述了热喷涂陶瓷涂层在航空航天、高温超导、微电子、生物技术、节能及新材料等高科技领域的应用。
主题词 热喷涂 陶瓷涂层 新型材料
1 引 言
采用热喷涂技术,在金属基体上沉积陶瓷涂层,将陶瓷耐高温、耐磨、耐蚀等特性与金属材料的强韧性、可加工性、导电导热性等特性结合起来,以获得理想复合涂层制品,已成为当今复合材料及制品研制领域的一个重要发展方向。陶瓷涂层种类很多,有硅酸盐系涂层、氧化物涂层、非氧化物涂层及复合陶瓷涂层等。采用等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂、火焰喷涂等多种热喷涂工艺可制备出耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、隔热、绝缘、热辐射、防辐射、超导和生物功能等各种特性的表面强化涂层。热喷涂陶瓷涂层的优势还在于对基材材质无特殊要求,涂层厚度可控(几十μm到几mm之间),工件大小不限,喷涂设备简单,喷涂沉积速率比物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和电火花沉积快,物耗少,经济效益显著。本文就陶瓷涂层在航空航天、能源、材料、电子等高科技领域中的应用作简要概述。
2 在航空航天领域的应用
航空表面防护技术是热喷涂持续多年的研究热点。航空发动机的关键部件是高温合金涡轮叶片和涡轮盘。目前,发动机涡轮的进口温度已接近或超过合金的熔点[1],预计不久将达到1930°C[2]。这样高的温度会影响发动机的功能和燃效。高温合金的一个重要发展趋势就是高温隔热涂层(热障涂层TBCs),即在合金表面涂覆隔热性能良好的高熔点陶瓷涂层。热障涂层和叶片冷却技术可使叶片承温能力提高约450°C[1]。据资料统计[3],90年代一台新型发动机中,上千个零部件的表面实施了热喷涂,涂层约二十余种,其中主要包括高温防护涂层和耐磨封严涂层等(见表1)。这些涂层还可用于小型火箭发动机喷管、返回地面人造卫星回收天线、以及无水冷汽车发动机等。
80年代发明的高速氧燃气喷涂(HVOF)在飞机发动机上的某些应用已可代替等离子喷涂[4]。用HVOF喷涂的MCrAlY涂层均匀、致密,HVOF-CoNiCrAlY粘结底层的氧化行为与低压等离子喷涂(LPPS)热障涂层的氧化行为非常相似[5]。Brandl的研究表明[6],在高的氧分压环境下,HVOF-MCrAlY涂层的氧化速率要比真空等离子喷涂(VPS)的氧化速率低得多,这主要是由于HVOF喷涂时涂层中形成的α-Al2O3可抑制涂层内元素的扩散,从而有效地降低了氧化皮的生长,这种效应在高温下更为突出。HVOF易于形成低脱碳率的碳化物耐磨涂层,适合于制造高级碳化物/金属基陶瓷涂层(如WC/CoNiCr/CrxCy)[4]。90年代在HVOF基础上改进的高速空气燃气喷涂(HVAF)[7],采用氧气点火,压缩空气冷却喷嘴,热空气与燃料气混合燃烧,使喷涂设备结构简化、运行可靠,其成本比HVOF降低60%以上,为此项技术的推广应用创造了条件。
3 高温超导体制件
具有高临界电阻温度的复合氧化物超导陶瓷材料的发现,是80年代材料领域的重大突破。迄今为止,高温超导材料较接近实用化的进展主要集中在超导膜的制备上。用等离子喷涂超导陶瓷涂层,沉积速率高,易制备厚膜和大面积涂层,可喷涂复杂形状的超导制件,是很有希望实现超导材料实用化的工艺。等离子喷涂钇钡铜氧(YBaCuO)、铋锶钙铜氧(BiSrCaCuO)超导陶瓷涂层都已应用成功[8],如制造物理气相沉积(PVD)用的钇钡铜氧(YBa2Cu3Ox)靶,能获得高性能的超导薄膜,临界电流密度高达105～106A/cm2。等离子喷涂超导陶瓷涂层在磁屏蔽、微波元件、各类传感器、量子电子器件等方面显示出良好的应用前景。
4 在电力电子工业中的应用
在金属板(如科伐合金、铜、铝、钢)上热喷涂绝缘陶瓷涂层所形成的金属-陶瓷复合材料是微电子工业中理想的基板材料。高热导率的金属将强电流所产生的热量迅速散发,而陶瓷层则提供优良的介电绝缘性能。在0.1mm的铁皮上喷涂30μm的钛酸钡涂层,其介电常数可超过6000,已广泛用于固定电容器、可变电容器、混合集成电路的片电容器和电容器网络的基片上。等离子喷涂形成的氧化铝涂层在厚度不到1mm时,能够在1300°C的高温下耐压2500V以上,满足了高温下电绝缘的要求[9]。Al2O3陶瓷主要用作集成电路的基板和高性能的封装材料。美国已能喷涂25×25mm2介电陶瓷涂层复合电路板,达到5万件的批量生产规模[8]。
5 医用生物陶瓷涂层
等离子喷涂是制备医用生物材料的一种重要方法。在金属(主要是钛合金)基体上涂覆厚度为50μm或75μm[10、11]羟基磷灰石(HA)等生物活性陶瓷,不仅涂层与钛基底结合强度高,两者既有机械结合,又有化学结合,而且HA与骨的键合好,多孔、粗糙的涂层表面有利于骨组织长入,既无纤维组织层形成,又能刺激双向成骨[12],与周围的骨组织形成化学性结合和生物性结合[13],即使经过长时间也不会发生明显的降解[10],HA涂层具有良好的生物相容性。因此,热喷涂金属基生物陶瓷涂层的医用骨骼是比较理想的人工骨骼材料,已在人体股骨、髋关节、肘关节、骨盆、牙齿等方面临床试验成功[8]。据不完全统计[14],每年仅全髋置换就有80万例。随着人类社会的进步,人体硬组织修复需求的日益增长,陶瓷涂层将获得更为广泛的应用,并推动医用生物材料的发展。
6 新型复合材料
80年代以来,热喷涂技术的快速发展出现了用热喷涂技术制造弥散强化型金属基复合材料、纤维增强金属基复合材料和功能梯度材料等新型的复合材料。
功能梯度材料(FGM),是指其功能如组分、结构、性能随空间或时间连续变化的一种高性能材料[15]。在此基础上研制的功能梯度涂层,从基体到表面的组分和性能亦是呈无界面连续渐变的。FGM涂层特别适合于陶瓷涂层与高温合金的最佳性能匹配,可获得结合力高的耐热涂层,在高温或温差变化大的环境下,不会产生突变的热应力,有效地防止了涂层剥落。国内研究人员采用重复热喷涂加激光重熔方法制备Ni-WC陶瓷梯度涂层[16],涂层结构均匀,无气孔、无裂纹。涂层内WC颗粒从基体到涂层表面逐渐增多,硬度也随之增大,且变化平缓(图1曲线2),基体到涂层表面有一明显的硬度适中的过渡区,这就提高了涂层与基体的结合强度和韧性,减小了裂纹倾向。该涂层表面排列致密的WC颗粒,使其耐磨性也较普通激光涂层大大提高(图2)。
俄罗斯的科技人员已将FGM涂层的复合材料投入实际应用[17],在航空发动机的静子摩擦环表面先用等离子喷涂技术逐层喷涂以Al2O3陶瓷为主的梯度涂层,再用激光或电子束进行控制重熔(陶瓷层全熔,过渡层半熔),最后磨平外表面,得到的涂层不仅成分、组织和性能呈梯度变化,涂层强度及结合强度高,整体结合好,而且表面陶瓷层高的硬度和完美的平整性对摩擦端面的耐磨和密封十分有利。金属-陶瓷梯度涂层现在火车和汽车柴油机活塞顶上获得了试用,其使用寿命和柴油机的效率均有明显提高[18]。
7 制备节能材料
研究表明[18],将ZrO2-TiO2-Nb2O5喷涂在电热元件表面,可使电热元件的辐射系数由0.72提高到0.85,辐射率向长波方向扩展,大大提高了电热元件的能量利用率。制碱工业和电解水制氢工业消耗大量的电力,若能降低电解槽中的氢、氧高电位,则将具有明显的节电效果。采用等离子喷涂Ni-Al-Mo涂层,再除去Al相,形成多孔的Ni-Mo涂层,可使电解室的电压降低0.2V,达到节电的目的。将氧化锆陶瓷粉末喷涂在内燃机燃烧室的内壁,可提高内燃机的工作温度,节省燃料,并简化结构[9]。
8 结 语
综上所述,热喷涂陶瓷涂层在诸多方面具有广阔的应用前景。随着计算机的推广应用,自动化喷涂设备的不断完善,喷涂技术、涂层材料研究应用的深入,新型陶瓷涂层将会产生明显的社会经济效益。
参考文献略
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